王海峰，張雷

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

虛擬主銷懸架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向齒條力分析

王海峰，張雷

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要講述采用虛擬主銷設(shè)計(jì)的懸架結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力的影響及可行的降低齒條力方法。

齒條力；虛擬注銷

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-34-02

前言

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，助力匹配是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作，其直接關(guān)系到后續(xù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及性能達(dá)標(biāo)。

在整車(chē)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)整車(chē)前軸質(zhì)量及懸架拉臂長(zhǎng)度等信息對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力進(jìn)行估算。并根據(jù)估算結(jié)果來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行助力匹配工作。

文章將就實(shí)際發(fā)生在一款量產(chǎn)車(chē)型上的齒條力估算失真事宜進(jìn)行詳細(xì)論述，以便為其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)。

1 最大齒條力理論計(jì)算

原地轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力矩為輪胎與地面之間的靜摩擦力矩，此時(shí)阻力矩為所有車(chē)況中的最大值，按照經(jīng)驗(yàn)公式：

如果按照更為精確的積分公式，則有單個(gè)輪胎與地面之間的摩擦力矩：

按照此公式計(jì)算出來(lái)的原地轉(zhuǎn)向阻力矩是左右拉桿上的拉力和壓力分別對(duì)主銷軸線力矩之和。

重力回正力矩計(jì)算：

在中間位置時(shí)，拉桿力對(duì)于主銷軸線的力臂為L(zhǎng)mid（拉壓兩種狀態(tài)），此時(shí)的原地轉(zhuǎn)向齒條力為：

在從轉(zhuǎn)向中間位置到轉(zhuǎn)向極限位置的過(guò)程中，拉桿力臂L會(huì)逐漸減小，同時(shí)考慮到懸架襯套等橡膠件的彈性變形反作用力，齒條力Frack會(huì)持續(xù)增加，一直到轉(zhuǎn)向極限位置(也叫做LOCK TO LOCK)，此時(shí)齒條力最大，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油壓也達(dá)到最大值。

在轉(zhuǎn)向極限位置時(shí)，拉桿力對(duì)于主銷軸線的力臂為L(zhǎng)end（拉壓兩種狀態(tài)），此時(shí)的原地轉(zhuǎn)向齒條力為：

實(shí)車(chē)原地轉(zhuǎn)向時(shí)測(cè)得的拉桿力隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線如右圖所示。從該圖中可以總結(jié)出的規(guī)律是：

圖1

（1）僅在方向盤(pán)從中位向極限位置轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中時(shí)承受拉力的橫拉桿力會(huì)逐漸增加，其余回位過(guò)程中的拉力和任何過(guò)程中的推力都維持不變；

（2）對(duì)于齒條力，在方向盤(pán)從中位向兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中齒條力都會(huì)增加，從極限位置向中位回位的過(guò)程中齒條力維持不變。

此種計(jì)算方法對(duì)于前懸采用麥弗遜式獨(dú)立懸架的車(chē)輛而言，是較為準(zhǔn)確的。但在其他懸架結(jié)構(gòu)上卻存在較大失真，特別是采用主銷位置可以移動(dòng)的虛擬主銷懸架結(jié)構(gòu)上，其最大誤差可以達(dá)到30%以上。

可以移動(dòng)位置的虛擬主銷設(shè)計(jì)，其主銷位置會(huì)隨著車(chē)輪轉(zhuǎn)角的變化而在一個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。這種主銷位置的移動(dòng)是通過(guò)擺臂膠套變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

如下圖所示的懸架結(jié)構(gòu)就是一種主銷位置可以移動(dòng)的虛擬主銷懸架結(jié)構(gòu)。

圖2

此種懸架結(jié)構(gòu)的下方兩個(gè)擺臂是通過(guò)橡膠結(jié)構(gòu)柔性連接在副車(chē)架上的。在車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，懸架下方兩個(gè)擺臂與副車(chē)架的連接點(diǎn)由于橡膠的彈性變形會(huì)發(fā)生一定的空間位移，由此導(dǎo)致懸架的虛擬主銷在一定范圍內(nèi)進(jìn)行空間移動(dòng)。

此種懸架結(jié)構(gòu)具有較好的KC特性，在提高整車(chē)操穩(wěn)性能上存在較大優(yōu)勢(shì)。但由于其主銷位置的不斷變化，在前期進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力估算的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大困難，傳統(tǒng)的齒條力估算公式計(jì)算結(jié)果失真嚴(yán)重。而造成這種情況的關(guān)鍵因素就是懸架襯套結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)阻尼，下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)分析虛擬注銷懸架系統(tǒng)的最大齒條力估算。

2 實(shí)例分析

一款現(xiàn)有采用虛擬主銷懸架設(shè)計(jì)的目標(biāo)車(chē)輛，其滿載最大齒條力在11.5kN左右（按照計(jì)算公式估算，其最大齒條力在9kN左右）。

圖3

將車(chē)輛前輪停放在可以自由旋轉(zhuǎn)的的轉(zhuǎn)盤(pán)上（地面摩擦阻尼為0），對(duì)齒條力進(jìn)行測(cè)量， 最大齒條力在5kN 左右。（此齒條力包含重力回正力矩及系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻力）

圖4

我們嘗試對(duì)懸架下擺臂中一個(gè)襯套進(jìn)行剛度調(diào)整，結(jié)果可以很大程度上降低最大齒條力。（可以降低2000N以上）

圖5

圖6

由上可知，采用可移動(dòng)的虛擬主銷設(shè)計(jì)的懸架結(jié)構(gòu)，在降低其懸架系統(tǒng)軟連接處的襯套剛度時(shí)，是可以有效降低其最大齒條力的。

采用此種懸架結(jié)構(gòu)的車(chē)輛，在前期進(jìn)行齒條力估算時(shí)不能僅僅依靠傳統(tǒng)公式進(jìn)行估算，還需要充分考慮到不同懸架結(jié)構(gòu)對(duì)齒條力的影響。

3 總結(jié)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力估算對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，其直接關(guān)系到后續(xù)助力匹配、強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗。對(duì)于不同的懸架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員要充分考慮到懸架系統(tǒng)自身的運(yùn)動(dòng)阻尼影響，以避免估算數(shù)據(jù)的嚴(yán)重失真。

[1] 劉鍵.GB11557 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害.

[2] 逯海.汽車(chē)工程手冊(cè)[M].人民交通出版社,2000.479～484.

[3] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工程出版社,2000.166～193.

Analysis of steering rack force of virtual main pin suspension system

Wang Haifeng, Zhang Lei
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly describes the influence of suspension structure design on the maximum rack force of the steering system and the feasible method of reducing the rack force.

rack force; virtual logoff

U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)20-34-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.011

王海峰，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司。